生物质成型燃料燃烧特性的实验研究

1、2009年中国电机工程学会年会生物质成型燃料燃烧特性的实验研究张思佳 蔡丽红华北电力大学 河北保定 071003 湖北省电力勘测设计院 湖北武汉 430024Zhang Sijia Cai LihongDept.of Environmental & Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003摘要：以生物质成型燃料和煤粉作为实验燃料，在不同的燃烧时间和燃烧温度下进行生物质纯烧和混烧的燃烧特性的研究。结果表明：生物质成型燃料在纯烧时，燃尽率较相同条件下的煤粉为低，这是由于生物质成型燃料由表面着火后，逐

2、步向内部燃烧，随着挥发分的析出和氧分内部扩散阻力的增大，剩余焦炭并没有完全燃尽；而煤粉粒径较小，在同样的燃烧条件下却达到了相对较高的燃尽率。生物质的加入很好的改善了煤的燃烧特性，且当煤和生物质按热量比为80%20%时燃尽率最大，此混合比为最佳燃料混合比。延长燃烧时间，混合物的燃尽情况也有所改善。生物质粒度对燃烧状况也有影响，生物质粒度越小，燃料与氧气的接触面积就较大，燃烧越充分。关键词：生物质燃料；燃烧特性；纯烧；混烧；成灰特性. 中图分类号：X24Experimental Study On Combustion Characteristics Of Biomass BriquettesAbs

3、tractUsing biomass fuel and coal as experiment fuels, in different combustion time and combustion temperature, the combustion characteristics for pure burning of biomass and mixed burning will be studied. The results show that in pure burning cases, the burnout rate of the biomass is lower than coal

4、 under the same conditions. According to the analyzing result, it is due to the biomass burning starting from the surface after it is fired, and gradually to the internal combustion. With evaporating of the volatile matter and increasing of the internal diffusion resistance of oxygen, the residual c

5、oke is not completely burned up; while the particle size of coal is smaller, in the same combustion conditions, the coal has reached a relatively high burnout rate. The accession of the biomass is good to the improvement of the coal combustion characteristics, and when coal and biomass is mixed by t

6、hermal ratio 80% to 20%, the2009.11.25-27中国·天津burn-off rate is the largest, proving that this mixture ratio is the best fuel mixture ratio. Extending combustion time, the burnout situation is also improved. The particle size of the biomass also can influence the combustion status. The smaller t

7、he particle size of biomass is, more greater the contact area of fuel and oxygen gets and more fully the burning is .Keywords : Biomass fuels; Combustion characteristics; Pure firing; Co-firing; Characteristics of ash formation1前言人类正面临着发展与环境的双重压力。经济社会的发展以能源为重要动力，经济越发展，能源消耗越多，尤其是化石燃料消费的增加，就有两个突出问题摆在我

8、们面前：一是造成环境污染日益严重，二是地球上现存的化石燃料总有一天要掘空。因此对生物质能利用的研究开发已成为开发新能源的一个重要方向 。在生物质燃烧发电过程中，生物质的燃烧过程以及燃烧所产生物质的化学和物理性质对能量转化装置的设计，灰资源化利用与污染控制具有重要的理论意义和应用价值。本文将系统地研究生物质的燃烧特性,以便为生物质高效燃烧发电提供理论基础。 2实验过程与内容论文研究的主要手段是通过实验对生物质和煤的燃烧特性进行研究。利用马弗炉和烘干箱对生物质和煤进行工业分析。并通过改变燃烧温度、改变燃烧时间以及改变燃烧方式（生物质成型燃料、生物质粉末燃料的纯烧和不同比例的混烧）等手段，研究生物质

9、和煤在马弗炉内燃烧后的燃烧特性以及成灰特性。另外，通过不同比例的混合燃烧实验，确定生物质与煤混烧的最佳混合比。 2.1实验样品生物质成型燃料(玉米秆和锯末的混合物,大同某电厂煤粉。 2.2实验内容（1）实验前要对煤和生物质进行工业分析，用氧弹测热计分别测它们的发热量。将适量的煤粉和生物质，置于马弗炉内，分别在700°C、900°C、1100°C下燃烧5、10、15分钟，取出未燃尽样品，测其重量a 并记录，然后对未燃尽样品进行灰分检查后测其重量b 并记录。通过公式：燃尽率=(b/a*100%求得煤和生物质在不同温度下燃烧不同时间后的燃尽率，通过电子显微镜观察它们燃烧

10、后的成灰特性并观察其特点，总结出煤和生物质燃烧特性的不同点。 （2）煤和生物质按热量比为70%30%，80%20%，90%10%等不同的比例混合，用上述同样的方法对混合物的燃尽率和成灰特性进行研究，提出生物质燃料和煤粉混合燃烧的最佳混合比。（3）将生物质磨碎，其单独燃烧以及它和煤按上述热量比混合，在900°C下燃烧5、10、15分钟后测其燃尽率并观察其成灰特性。与生物质成型燃料以及它和煤的混合燃烧做对比，总结出生物质的粒度对燃烧特性的影响。生物质成型燃料和煤的工业分析见表1：表1生物质成型燃料和煤的工业分析结果样品水分灰分 挥发分 固定碳生物质成型燃料 7.6%3.01%75.83%

11、 13.56%煤1.2%36.12% 12.34% 50.34%由表1可以看出，生物质成型燃料的水分明显高于煤，这使得其不易破碎，容易粘附在设备上，增加粉碎的能耗。生物质成型燃料与煤比，着火困难，水分影响了燃烧速率，使炉内温度降低，使机械和化学不完全燃烧的热损失增加；生物质成型燃料的挥发分明显的高于煤，所以易于着火，燃烧稳定，但火焰温度较低；煤的灰分较高，可燃成分相对较少，热值相对较低，燃烧时，熔化的灰分还会在炉内结成炉渣，影响煤的气化和燃烧，同时造成排渣困难。炼焦时，全部转入焦炭，降低了焦炭的强度，严重影响焦炭质量；生物质燃料中含碳量最高的也仅50%左右，相当于生成年代较少的褐煤的含碳量。特

12、别是固定碳的含量明显地比煤炭少1。因此，生物质燃料不抗烧,热值较低，相比之下煤更难燃烧，着火燃烧的温度也较高，易产生固体不完全燃烧，在灰渣中有碳残余。3生物质成型燃料的纯烧特性 3.1温度和时间对燃料燃烧特性的影响表2为不同温度和不同燃烧时间下测得的生物质成型燃料的燃尽率：从表2中可以看出生物质成型燃料的燃尽率比煤要低很多，主要原因是生物质在燃烧时，其表面上的可燃物质燃尽后形成的灰分外壳，隔绝了2009年中国电机工程学会年会氧化介质，使氧气内部扩散阻力增大，空气与内层可燃物质的接触不充分导致生物质成型燃料难于燃烧完全，造成炉温下降和燃烧不稳定。在相同的燃烧时间下，随着温度的升高，煤和生物质成型

13、燃料的燃尽率都有所提高；且燃烧温度不变，燃烧的时间越长，两者的燃尽程度也越大，说明适当的提高燃烧时间，燃烧就越充分，但是不能无限制的延长时间，当燃尽率达到一定值时，再增加时间，燃尽率不再提高。通过电子显微镜对试样在不同温度下燃烧数分钟后的表观形貌进行观察可以得出：燃烧温度越高，煤转化为灰的程度越大，煤样的颜色越浅，说明燃尽率有所提高，但不能明显的看出生物质成型燃料的灰在不同温度下的变化，分析原因认为是由于在燃烧的短时间内，氧气不能快速进入生物质成型燃料内部，而导致其不能充分燃烧，使得灰没有太大的变化。对燃料进行灰分测定后发现，煤灰具有多孔结构和球型粒径的特性，在松散状态下要比生物质成型燃料形成

14、的灰颜色浅，且粉煤灰的颗粒比较细腻，但生物质成型燃料的灰粒比较粗，结构松散，以物理性沙粒为主，黏着性较差2。 3.2生物质成型燃料的燃烧速率烧失量（m ）：在一定时间内，燃料燃烧的失重量，单位为3g；m =m 1m 2 （1） 燃料燃烧的平均燃烧速度（V m ）：平均单位时间内燃料的失重量，单位g/min；V m 2m =m 1t （2）1t 2在式（1，2）中：m 1为在t 1时刻燃料2009.11.25-27中国·天津质量（g）；m 2为在t 2时刻燃料质量（g）；t 1为燃料的开始燃烧时刻（min）；t 2为燃料的燃烧终止时刻（min）；由上式计算得出生物质成型燃料燃烧的平均速

15、率如表3所示：表2 生物质成型燃料和煤燃尽率的计算（%）生物质 煤 5 10 1527.11 30.03 31.4029.61 30.95 35.2731.23 33.49 70.2032.66 36.84 38.2037.76 43.41 49.4940.84 47.90 79.30表3 生物质成型燃料在不同温度燃烧数分钟后计算得出的燃烧速率（燃烧时间，min，温度，燃 700 900 11000.2280 0.1174 0.08160.2329 0.1186 0.07750.2155 0.1350 0.0864质成型燃料燃烧温度，燃烧时的通风条件等4。所以在进行锅炉设计时还应考虑诸多因素以

16、保证生物质燃烧的稳定性。 4生物质成型燃料与煤的混烧实验  由表3可以看出相同温度下随着燃烧时间的延长，燃烧速率有下降的趋势，分析原因是当生物质挥发分烧完，焦碳燃烧受到灰烬包裹和空气渗透较难的影响，妨碍了焦碳的燃烧，此时供氧不足，即便再增加燃烧时间对燃烧速率也不会有太大的改观，所以导致燃烧时间越长，平均燃烧速率反而下降。当燃烧时间相同，升高温度时，生物质平均燃烧速率有增有减，没有规律的变化趋势。根据生物质成型燃料燃烧动力学分析，影响生物质成型燃料速度的主要因素有：生物质种类，生物质的含水率，生物质成型燃料密度，生物质成型燃料的几何尺寸，生物图1 不同比例的混合物在700下燃

17、烧不同时间后的燃尽率  图2不同比例的混合物在900下燃烧不同时间后的燃尽率图1、2表示煤和生物质成型燃料按不同的热量比混合，改变燃烧时间和燃烧温度后它们的燃烧情况。由图1、2可知对于同一混合比来说，温度越高，燃烧时间越长，燃尽率越大。煤和生物质成型燃料按80%20%的热量比混合时，在同等条件下，它们的燃尽情况最好，说明此时为最佳混合比；生物质成型燃料和煤混烧时，由于燃烧性质相差很大而产生分别燃烧，能够有效的改善煤样的燃烧性能5，降低着火温度，改善着火性能、提高生物质燃料的热利用率等。生物质成型燃料的燃烧分为两个阶段：第一阶段在250-350°C之间，这一阶段主要

18、是其纤维和木质裂解和挥发分释放燃烧阶段；第二阶段在350-450°C之间，这一阶段主要是其裂解后焦炭燃烧阶段6。煤的挥发分燃烧不明显，主要以焦燃烧为主。在混合物燃烧时，空气供给量也是一个很重要的条件。适合的空气量和空气供给方式是保证燃料燃烧充分的条件之一。过多的空气供给会吸收燃烧产生的热量，降低燃烧温度，淡化可燃气体的浓度，使化学反应减慢；过少的空气供给或空气受阻，分配不良，会使可燃气体未经燃烧而逸出。 5粉末状生物质的燃烧特性实验2009年中国电机工程学会年会 上面的研究结果表明，生物质成型燃料的燃尽率比煤要低，且在成型燃料与煤的混烧实验中测定，燃尽率也偏低，分析原因是由于生物质成

19、型燃料由表面着火后，逐步向内部燃烧，随着挥发分的析出和氧分内部扩散阻力的增大，剩余焦炭并没有完全燃尽；而煤粉由于粒径较小，在同样的燃烧条件下却达到了相对较高的燃尽率。下面即以粉末状生物质为研究对象，考察生物质燃料在粒径减小后，其燃烧特性的改善情况，并以实验结果与上文进行对比。 5.1粉末状生物质与煤粉的混烧图3为煤和粉末状生物质按不同热量比混合在900下燃烧不同时间后的情况。由图3可知，与粉末状生物质和煤在900°C下的混烧作对比，燃烧规律是完全相同的，最佳混合比仍然是80%20%，但是生物质粉碎后，使混合燃烧的效率有了很大的提高，说明生物质的粒度越细，能够与氧气有更充分的接触，其挥

20、发分更易析出，且燃料燃烧更加充分。但是粉碎后的生物质燃烧性能不如粉碎前稳定。生物质的燃尽温度在500°C左右7，燃烧速率最大时对应温度与其着火温度相差无几，说明生物质燃烧后能很快达 到最大燃烧速率。图3混合物在900下按不同比例混烧不同时间后的燃尽率5.2粉末状生物质的纯烧2009.11.25-27 中国·天津 图 4 表示粉末状生物质在 900下燃烧 不同时间后所测得的燃尽率。 从图 4 可以看 出， 生物质在粉碎后比同等条件下生物质燃 烧的燃尽率有了很大的提高。 主要是因为粉 碎后的生物质， 氧气在其内部扩散速度会很 快。 它密度的减小也使挥发物的逸出速度加 快，缩短了

21、挥发物的燃烧时间，待挥发物逸 出后，剩余的炭结构很疏松，运动气流将其 解体，炭的燃烧会更加充分。 90.00% 80.00% 70.00% 60.00% 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 0.00% 5分 10分 15分 质气化中， 推荐的粒度大小与气化器和原料 有关。总之，生物质的形状往往对其转化的 效果和转化系统的经济型有一定影响。 6 结论 本文通过对生物质成型燃料、 生物质粉 末燃料的纯烧和混烧实验， 研究生物质燃料 的燃烧特性和成灰特性， 得到的主要结论如 下： 1）煤和生物质随着温度的升高，燃尽 率也有所提高，且燃烧时间越长，燃尽情况 越好。生物

22、质未磨碎前它的燃尽率要比煤 低，主要是因为生物质的成型燃料在燃烧 生物质 时， 其与氧气的接触面小。 当生物质磨碎后， 它的燃尽率就比煤要高， 说明粉末状生物质 与氧气的接触面积大， 挥发分析出快使得粉 末状生物质的燃尽率有很大提高。 2）通过对煤和生物质的灰的观察可以 图 4 粉末状生物质在 900下燃烧不同时间后的燃尽率 发现，煤灰具有多孔结构和球型粒径的特 性，在松散状态下颜色要比生物质浅，且灰 的颗粒比较细腻，但生物质的灰粒比较粗， 以物理性沙粒为主，黏着性较差。 3）通过对生物质和煤的工业分析可知 生物质的灰分较低，不可燃成分较少，热值 相对较高，煤的灰分含量比较高，其可燃成 分相对

23、减少， 这样用于加热灰分的热量消耗 随之增加，故煤的燃烧温度下降，燃烧稳定 性较差。 生物质的挥发分较高， 它易于着火， 也容易燃尽，燃烧稳定，但火焰温度较低。 生物质粒径分布对生物质燃尽所需的 时间是非常重要的。 不均匀粒径生物质颗粒 中包含了许多燃尽极快的细颗粒， 因此其最 初的燃烧较均匀粒径的生物质来得快。 随着 燃烧的继续进行， 不均匀粒径颗粒群中剩下 的燃料都是些比初始重量平均粒径大的颗 粒。这些大颗粒在很低的氧浓度下燃尽，因 而会造成燃尽时间的大大增加。 因此生物质 磨碎后，细颗粒增多，燃尽情况明显有所改 善。 生物质的转化过程中， 一般对生物质的 粒度都有一定要求，例如，在直接燃烧时， 为了能够使在燃烧过程中氧气供应充分， 要 将生物质物料劈开和折断，但也不能太细 小；在生物质成型中，往往需要对生物质进 行粉碎，以达到所需要的粒度要求；在生物 生物质的固定碳含量和煤比较少， 所以生物 质容易燃烧，着火燃烧的温度也比较低。本 实验用的生物质水分含量较高，